(57)【要約】【課題】多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常を好適に診断する。【解決手段】各燃料噴射弁からの燃料噴射量をアクティブに制御して入力空燃比を強制的に振動させる。各燃料噴射弁から空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化し、このモデルに対する入力空燃比と、空燃比センサから得られる出力空燃比とに基づきゲインおよび時定数を同定する。ゲインおよび時定数の同定値がそれぞれ所定値未満であるか否かにより空燃比ばらつき異常の有無を診断する。ゲインと時定数の両方が小さくなるのは空燃比ばらつき発生時特有の現象なので、これを利用する。【選択図】図１４
2010190089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多気筒内燃機関の各気筒に配置された燃料噴射弁と、
前記内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサと、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料量をアクティブに制御して入力空燃比を強制的に振動させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行時、前記各燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する前記入力空燃比と、前記空燃比センサにより検出された出力空燃比とに基づき、前記一次遅れ要素におけるゲインおよび時定数を同定する同定手段と、
前記ゲインの同定値が所定値未満であり、且つ、前記時定数の同定値が所定値未満であるか否かにより、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する空燃比ばらつき異常診断手段と、
を備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の異常診断装置。
【請求項２】
前記空燃比ばらつき異常診断手段は、前記ゲインの同定値が所定値未満であり、且つ、前記時定数の同定値が所定値未満であるとき、前記空燃比ばらつき異常が有ると診断する
ことを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の異常診断装置。
【請求項３】
前記空燃比ばらつき異常診断手段により前記空燃比ばらつき異常が無いと診断されたとき、前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値に基づき、前記空燃比センサの異常の有無を診断するセンサ異常診断手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の多気筒内燃機関の異常診断装置。
【請求項４】
前記空燃比ばらつき異常診断手段は、前記アクティブ空燃比制御の開始時から所定時間経過した時点での前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値に基づき、前記気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の異常診断装置。
【請求項５】
前記所定時間経過した時点が、前記アクティブ空燃比制御が所定周期終了した時点であるか、または、前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値の少なくとも一方が収束した時点である
ことを特徴とする請求項４に記載の多気筒内燃機関の異常診断装置。
【請求項６】
前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間の実際のむだ時間を検出するむだ時間検出手段と、
この検出された実際のむだ時間に基づき、むだ時間異常の有無を診断するむだ時間異常診断手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多気筒内燃機関の異常診断装置に係り、特に、気筒間の空燃比ばらつき異常を診断することが可能な多気筒内燃機関の異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、触媒を利用した排気浄化システムを備える内燃機関では、排気中有害成分の触媒による浄化を高効率で行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、これによって検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるようフィードバック制御を実施している。
【０００３】
一方、多気筒内燃機関においては、通常全気筒に対し同一の制御量を用いて空燃比制御を行うため、空燃比制御を実行したとしても実際の空燃比が気筒間でばらつくことがある。このときばらつきの程度が小さければ、空燃比フィードバック制御で吸収可能であり、また触媒でも排気中有害成分を浄化処理可能なので、排気エミッションに影響を与えず、特に問題とならない。しかし、例えば一部の気筒の燃料噴射系が故障したりして、気筒間の空燃比が大きくばらつくと、排気エミッションを悪化させてしまい、問題となる。このような排気エミッションを悪化させる程の大きな空燃比ばらつきは異常として検出するのが望ましい。特に自動車用内燃機関の場合、排気エミッションの悪化した車両の走行を未然に防止するため、気筒間空燃比ばらつき異常を車載状態（オンボード）で検出することが要請されており、最近ではこれを法規制化する動きもある。
【０００４】
なお、特許文献１には、気筒間の空燃比ばらつきを修正する目的で次の空燃比制御を行うことが開示されている。すなわち、定常運転中に対象気筒の燃料噴射量を徐々に少なくあるいは多くするとともに、全体の空燃比が変化しないように、他の気筒の燃料噴射量をその分だけ多くあるいは少なくしていく。その間、排気ガス中の水素濃度を水素センサで検出し、水素濃度が最小となるときの噴射比率を最適噴射比率として記憶する。以降、その最適噴射比率で各気筒の燃料を噴射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５４８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この特許文献１に記載の装置も含め、現状では、気筒間の空燃比ばらつき異常を好適に診断できる装置があまり見当たらない。そこで本発明の目的は、気筒間の空燃比ばらつき異常を好適に診断することができる多気筒内燃機関の異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態によれば、
多気筒内燃機関の各気筒に配置された燃料噴射弁と、
前記内燃機関の排気通路に配置された空燃比センサと、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料量をアクティブに制御して入力空燃比を強制的に振動させるアクティブ空燃比制御を実行するアクティブ空燃比制御手段と、
前記アクティブ空燃比制御の実行時、前記各燃料噴射弁から前記空燃比センサまでの系を一次遅れ要素によりモデル化してなるモデルに対する前記入力空燃比と、前記空燃比センサにより検出された出力空燃比とに基づき、前記一次遅れ要素におけるゲインおよび時定数を同定する同定手段と、
前記ゲインの同定値が所定値未満であり、且つ、前記時定数の同定値が所定値未満であるか否かにより、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する空燃比ばらつき異常診断手段と、
を備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の異常診断装置が提供される。
【０００８】
空燃比センサが異常となったとき、ゲインが小さくなり（すなわち出力が低下し）同時に時定数が小さくなる（すなわち応答性が早くなる）ことは殆ど無く、これは、空燃比ばらつきが生じたときに見られる特有の現象である。そこでこのことを利用し、本発明の一形態では、ゲインの同定値が所定値未満であり、且つ、時定数の同定値が所定値未満であるか否かにより、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する。これにより気筒間の空燃比ばらつき異常を好適に診断することができる。
【０００９】
好ましくは、前記空燃比ばらつき異常診断手段は、前記ゲインの同定値が所定値未満であり、且つ、前記時定数の同定値が所定値未満であるとき、前記空燃比ばらつき異常が有ると診断する。
【００１０】
好ましくは、前記異常診断装置が、前記空燃比ばらつき異常診断手段により前記空燃比ばらつき異常が無いと診断されたとき、前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値に基づき、前記空燃比センサの異常の有無を診断するセンサ異常診断手段をさらに備える。
【００１１】
これにより空燃比センサの異常診断をも併せて実行可能となる。
【００１２】
好ましくは、前記空燃比ばらつき異常診断手段は、前記アクティブ空燃比制御の開始時から所定時間経過した時点での前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値に基づき、前記気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する。
【００１３】
この場合、好ましくは、前記所定時間経過した時点が、前記アクティブ空燃比制御が所定周期終了した時点であるか、または、前記ゲインの同定値および前記時定数の同定値の少なくとも一方が収束した時点である。
【００１４】
好ましくは、前記異常診断装置が、前記入力空燃比から前記出力空燃比までの間の実際のむだ時間を検出するむだ時間検出手段と、この検出された実際のむだ時間に基づき、むだ時間異常の有無を診断するむだ時間異常診断手段と、をさらに備える。
【００１５】
これにより、空燃比センサの誤設置等に起因するむだ時間異常の有無の診断が併せて実行可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、気筒間の空燃比ばらつき異常を好適に診断することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】触媒前センサの出力特性を示すグラフである。
【図３】触媒後センサの出力特性を示すグラフである。
【図４】アクティブ空燃比制御時における入力空燃比と出力空燃比との変化の様子を概略的に示す図である。
【図５】本実施形態の同定ロジックの概念図である。
【図６】ゲイン及び時定数を同定した結果を示すグラフである。
【図７】むだ時間補正前後の入力空燃比を示すグラフである。
【図８】むだ時間算出マップを示す図である。
【図９】正常センサの場合におけるむだ時間の検出結果を示すグラフである。
【図１０】図９の概略部分拡大図である。
【図１１】異常センサの場合におけるむだ時間の検出結果を示すグラフである。
【図１２】図１１の概略部分拡大図である。
【図１３】空燃比ばらつきが無い場合と有る場合の触媒前センサ出力変化を示すグラフである。
【図１４】インバランス割合と時定数及びゲインの同定値との関係を示すグラフである。
【図１５】異常診断処理のルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は自動車用の多気筒内燃機関であり、より具体的には並列４気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式、種類等は特に限定されない。
【００２０】
図示しないが、内燃機関１のシリンダヘッドには吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。
【００２１】
各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管４を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。
【００２２】
吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。
【００２３】
一方、各気筒の排気ポートは排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる触媒、すなわち上流触媒１１と下流触媒１９とが直列に取り付けられている。上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１及び第２の空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及び直後の位置の排気通路に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。
【００２４】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。
【００２５】
触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能である。図２には触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比が理論空燃比すなわちストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）であり、このストイキを境に空燃比−電圧特性の傾きが変化する。
【００２６】
他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ２センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３には触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、触媒後センサ１８の出力電圧Ｖｒはストイキを境に過渡的に変化し、排気空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）がストイキよりリーンのときには０．１Ｖ程度の低い電圧を示し、排気空燃比がストイキよりリッチのときには０．９Ｖ程度の高い電圧を示す。これらのほぼ中間の電圧Ｖｒｅｆｒ＝０．４５Ｖをストイキ相当値とし、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより高いときには排気空燃比はストイキよりリッチ、センサ出力電圧がＶｒｅｆｒより低いときには排気空燃比はストイキよりリーンというように、排気空燃比を検出している。
【００２７】
上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞれ、流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（ストイキ、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。
【００２８】
そしてエンジンの通常運転時には、上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、燃料噴射量ひいては混合気の空燃比がＥＣＵ２０により制御される。この空燃比制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比を目標空燃比としてのストイキに一致させるような主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。
【００２９】
次に、本実施形態における気筒間空燃比ばらつき異常診断について説明する。
【００３０】
［モデルパラメータの同定とむだ時間補正］
当該異常診断においては、各インジェクタ１２から触媒前センサ１７までの系が一次遅れ要素によりモデル化され、このモデルに対する入力空燃比と、触媒前センサ１７により検出された出力空燃比とに基づき、前記一次遅れ要素におけるパラメータであるゲインｋと時定数Ｔが同定（推定）される。
【００３１】
入力空燃比として、インジェクタ１２の通電時間に基づいて計算された燃料噴射量Ｑと、エアフローメータ５の出力に基づいて計算された吸入空気量Ｇａとの比Ｇａ／Ｑが用いられる。以下、入力空燃比を適宜入力とも称し、ｕ（ｔ）で表す（ｕ（ｔ）＝Ｇａ／Ｑ）。なお入力空燃比は計算Ａ／Ｆとも称される。他方、出力空燃比としては、触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｒから換算される触媒前空燃比Ａ／Ｆｆが用いられる。以下、出力空燃比を適宜出力とも称し、ｙ（ｔ）で表す（ｙ（ｔ）＝Ａ／Ｆｆ）。入力空燃比ｕ（ｔ）をモデルに与えたときの出力空燃比ｙ（ｔ）の出方から、一次遅れ要素におけるパラメータが同定される。
【００３２】
図４に示すように、本実施形態では、パラメータ同定の際に、インジェクタ１２から噴射される燃料量をアクティブに制御して入力空燃比を強制的に振動させるアクティブ空燃比制御が実行される。このアクティブ空燃比制御では、目標空燃比Ａ／Ｆｔ即ち入力空燃比ｕ（ｔ）が、所定の中心空燃比Ａ／Ｆｃを境にリーン側及びリッチ側に同一振幅だけ振れるように、一定周期で振動させられる。振動の振幅は通常の空燃比制御のときより大きい。本実施形態の場合、振幅は０．５であり、中心空燃比Ａ／Ｆｃは理論空燃比（＝１４．６）と等しくされる。
【００３３】
このアクティブ空燃比制御を実行する理由は、アクティブ空燃比制御がエンジンの定常運転時に実行されることから、各制御量及び各検出値が安定し、診断精度が向上するからである。また入力空燃比ｕ（ｔ）を敢えて大きく変化させたときの方がパラメータの同定精度が向上するからである。
【００３４】
図示されるように、入力空燃比ｕ（ｔ）はほぼステップ状の波形であり、これに対し出力空燃比ｙ（ｔ）は一次遅れを伴った波形となる。図中Ｌは、入力空燃比ｕ（ｔ）から出力空燃比ｙ（ｔ）までの輸送遅れに基づくむだ時間である。このむだ時間Ｌは、インジェクタ１２における燃料噴射時から、その燃料噴射に基づく排気ガスが触媒前センサ１７に到達するまでの時間差に相当する。
【００３５】
簡単化のためこのむだ時間Ｌをゼロと仮定すると、一次遅れ要素はＧ（ｓ）＝ｋ／（１＋Ｔｓ）で表される。ここで、ｋは触媒前センサ１７のゲインであり、Ｔは触媒前センサ１７の時定数である。ゲインｋは、触媒前センサ１７の特性のうち出力に関わる値であり、他方、時定数Ｔは、触媒前センサ１７の特性のうち応答性に関わる値である。
【００３６】
なお、図４において、出力空燃比ｙ（ｔ）を表す実線は触媒前センサ１７が正常な場合を示す。これに対し、触媒前センサ１７の出力特性に異常が生じると、ゲインｋが正常時より大きくなり、ａで示す如くセンサ出力が増大（拡大）するか、またはゲインｋが正常時より小さくなり、ｂで示す如くセンサ出力が減少（縮小）する。他方、触媒前センサ１７の応答性に異常が生じると、殆どの場合、時定数Ｔが正常時より大きくなり、ｃで示す如くセンサ出力が遅れて出てくるようになる。
【００３７】
次に、ＥＣＵ２０によって実行されるこれらゲインｋ及び時定数Ｔの同定方法を説明する。この同定方法は逐次最小自乗法を利用したものである。
【００３８】
【表１】
2010190089.tif 000003
【００３９】
【表２】
2010190089.tif 000004
【００４０】
式（２０）は、今回のサンプル時刻ｔと前回のサンプル時刻ｔ−１とにおける値の関数であり、この式の意味するところは、今回値と前回値に基づいてｂ１とｂ２が、即ちＴとｋが毎回更新されていくことにほかならない。こうして、時定数Ｔとゲインｋは逐次最小自乗法により逐次同定されることになる。この逐次同定を行うやり方だと、サンプルデータを多数取得して一時記憶し、その上で同定を行うやり方よりも演算負荷を軽減できると共に、データを一時的に溜めるバッファの容量も減少できて、ＥＣＵ（特に自動車用ＥＣＵ）への実装に好適である。
【００４１】
以上の同定ロジックの概念図を図５に示す。
【００４２】
図６は、正常な触媒前センサ１７の場合に時定数Ｔとゲインｋを逐次同定した結果を示す。（Ａ）は入力空燃比と出力空燃比、（Ｂ）はゲインｋ、（Ｃ）は時定数Ｔを示す。なおゲインｋおよび時定数Ｔについては、入力空燃比をリーンからリッチに反転させたときと、リッチからリーンに反転させたときとで別々に同定を行っている。入力空燃比の振動の１周期目は、アクティブ空燃比制御開始前の影響が残るため、サンプリングがなされず、所謂捨て山とされている。入力空燃比の振動の２周期目からサンプリングが開始され、同定が開始される。図示例では６周期終了時点でサンプリングおよび同定が終了され、５周期分のデータにより同定が行われている。なお、捨て山や同定に用いる周期数は任意に設定可能である。ゲインｋと時定数Ｔはサンプル時刻毎に毎回更新されていき、次第に一定値に収束していく。そしてアクティブ空燃比制御開始時から所定時間経過した時点でのゲインｋの同定値および時定数Ｔの同定値が取得され、これら取得された同定値が空燃比ばらつき異常診断に用いられる。
【００４３】
ところで、前述したように、入力空燃比ｕ（ｔ）と出力空燃比ｙ（ｔ）との間には輸送遅れによるむだ時間Ｌが存在する。正確なモデルパラメータの同定を行うためには、このむだ時間Ｌを除去するような補正を行うのが好ましい。そこで本実施形態ではむだ時間補正を行うこととしている。具体的には、後述の方法でむだ時間Ｌが算出され、この算出されたむだ時間Ｌ分だけ入力空燃比ｕ（ｔ）が出力空燃比ｙ（ｔ）に近づくよう遅らせられる。そしてむだ時間補正後の入力空燃比ｕ（ｔ）と、出力空燃比ｙ（ｔ）により、前述のようなゲインｋおよび時定数Ｔの同定が実行される。
【００４４】
図７には、むだ時間補正前の入力空燃比（破線）、むだ時間補正後の入力空燃比（実線）及び出力空燃比（一点鎖線）が示される。図から理解されるように、むだ時間Ｌ分だけ入力空燃比が遅らせられると、入力空燃比の振動と出力空燃比の振動とが時間差無く同期するようになり、これによりモデルパラメータの同定精度を向上することができる。
【００４５】
むだ時間Ｌは、エンジン運転状態に関する少なくとも一つのパラメータに基づき、所定のマップ又は関数に従って算出される。図８にはそのようなむだ時間算出マップの一例を示す。このマップでは、エンジン回転速度Ｎｅの検出値に基づきむだ時間Ｌを算出するようになっている。こうして算出されたむだ時間Ｌを用いて入力空燃比ｕ（ｔ）が補正される。
【００４６】
ところで本実施形態では、実際のむだ時間Ｌが以下の方法で検出され、この検出された実際のむだ時間Ｌによりマップデータが更新される。まず、アクティブ空燃比制御中の入力空燃比及び出力空燃比の分散値σが次式により逐次的に求められる。
【００４７】
【数１】
2010190089.tif 000005
【００４８】
ηは入力空燃比又は出力空燃比の値であり、ηａｖｇはＭ回移動平均、即ち今回（ｔ）から（Ｍ−１）回前（ｔ−（Ｍ−１））までのデータの平均値である。Ｍは例えば５などとされる。入力空燃比又は出力空燃比の変化が大きいほどその分散値σは大きくなる。
【００４９】
図９は、正常な触媒前センサ１７（以下、正常センサという）の場合におけるむだ時間の検出結果を示す。上段のグラフは、ａ：むだ時間補正前の入力空燃比、ｂ：むだ時間補正後の入力空燃比、ｃ：出力空燃比をそれぞれ示す。中段のグラフは、ｄ：ａで示したむだ時間補正前の入力空燃比の分散値、ｅ：ｃで示した出力空燃比の分散値をそれぞれ示す。下段のグラフにおいて、鋸歯状の波形ｆはむだ時間カウンタの値、高い位置にある横線ｇは後述のようにして算出される実際のむだ時間をそれぞれ示し、低い位置にある横線ｈはむだ時間ｇを１／４になました値を参考的に示す。
【００５０】
図１０には図９のａ，ｃ，ｄ，ｅのみが簡略化して示してある。この図１０から分かるように、入力空燃比の分散値ｄ及び出力空燃比の分散値ｅは、入力空燃比ａ及び出力空燃比ｃが反転するタイミングで分散値ｄ，ｅのピークｄｐ，ｅｐが生ずる。よって、これらピークの時間差（ｅｐ−ｄｐ）を、検出すべき実際のむだ時間ｇとする。
【００５１】
図９に戻って、入力空燃比の分散値ピークｄｐが発生すると、その発生時からむだ時間カウンタｆが時間のカウントを開始する。そして、出力空燃比の分散値ピークｅｐが発生した時点で、カウントが停止され、そのカウント値が実際のむだ時間ｇとされる。実際のむだ時間ｇは入力空燃比の反転毎に更新、記憶される。なお入力空燃比の反転毎になまし後のむだ時間ｈも計算されていく。こうして入力空燃比の反転を繰り返すと、その反転回数と同数の実際のむだ時間ｇのデータが得られる。本実施形態では、同定終了時点でそれまで得られた実際のむだ時間ｇの平均値を計算し、この平均値を、最終的な検出値としての実際のむだ時間とする。
【００５２】
ところで、図９及び図１０により説明した方法は正常な触媒前センサ１７の場合だが、異常な触媒前センサ１７（以下、異常センサという）の場合だと、同様の方法を採用するのが必ずしも適切ではない。即ち、図１１及び図１２に示される如く、例えば応答遅れが生じている異常センサの場合だと、出力空燃比ｂの分散値ｅとして十分大きな値を得ることができず、そのピークｅｐが現れるタイミングに関しても誤差が大きくなる。
【００５３】
そこで、出力空燃比の分散値ピークｅｐを所定のしきい値ｅｐｓと比較し、図９及び図１０に示すように、その分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓより大きい場合は、前述のように、入出力空燃比の分散値ピークｄｐ，ｅｐ同士の時間差（ｅｐ−ｄｐ）を以て、検出すべき実際のむだ時間ｇとする。他方、図１１及び図１２に示すように、出力空燃比の分散値ピークｅｐがしきい値ｅｐｓ以下の場合は、入出力空燃比ａ，ｃ自体の極値ａｐ，ｃｐ同士の時間差（ｃｐ−ａｐ）を以て、検出すべき実際のむだ時間ｇとする。これにより異常センサの場合でも正確にむだ時間を検出することができる。なお、同定終了時点までに得られた実際のむだ時間ｇの平均値を最終的な検出値としての実際のむだ時間とする点は前記同様である。
【００５４】
こうして、最終的な実際のむだ時間が得られたならば、この値に基づいてむだ時間算出マップのマップデータが更新される。これにより、触媒前センサ１７の劣化度に応じた適切なむだ時間が算出可能となり、むだ時間補正の精度が高まる。
【００５５】
［空燃比ばらつき異常診断］
ところで、例えば一部気筒のインジェクタの故障等により、実際の空燃比が気筒間で比較的大きくズレたりばらついたりすると、その影響が触媒前センサ１７の出力に現れてしまい、触媒前センサ１７が正常であるにも拘わらず、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値が不適切な値となることが判明した。
【００５６】
図１３には、そのような空燃比ばらつきが無い場合（点線）と有る場合（実線）における触媒前センサ１７の出力値（但し、触媒前空燃比Ａ／Ｆｆへの換算値）を示す。なお空燃比ばらつきが有る場合の波形は、後述するインバランス割合が＋３０％であるときの波形である。図示するように、空燃比ばらつきが生じると１エンジンサイクル（＝７２０°クランク角）間で空燃比の変動が発生し、これに伴ってセンサ出力の変動が大きくなり、また同時に、空燃比ばらつきが無い場合の波形に高周波の変動が重畳してくるようになる。この高周波変動の影響で、最終的に得られる時定数Ｔ及びゲインｋの同定値が本来得られる値より小さくなってしまう。
【００５７】
図１４には、正常な触媒前センサ１７の場合における空燃比ばらつきと時定数Ｔ及びゲインｋの同定値との関係を示す。横軸には、気筒間空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）に関するパラメータであるインバランスパラメータとして、インバランス割合（％）がとってある。インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱｉｂ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつきは大きい。
【００５８】
一方、縦軸には時定数Ｔ及びゲインｋの同定値のベース比がとってある。即ち、インバランス割合が０％のときの値をベース値とし、実際に同定された時定数Ｔ及びゲインｋの値をベース値で除した値がベース比である。
【００５９】
図示するように、インバランス割合が大きくなるほど、時定数Ｔ及びゲインｋの同定値が双方小さくなる。
【００６０】
ここで、触媒前センサ１７が劣化や故障により異常となったとき、ゲインｋが小さくなり（すなわち出力が低下し）、同時に時定数が小さくなる（すなわち応答性が早くなる）ことは、殆ど無いといってよい。通常は、ゲインｋが小さくなり同時に時定数Ｔが大きくなる（すなわち応答性が遅くなる）。よって、時定数Ｔ及びゲインｋの両方が小さくなるのは、空燃比ばらつきが生じたときに見られる特有の現象である。
【００６１】
そこでこのことを利用し、本実施形態では、ゲインｋの同定値が所定値ｋｉｂ未満であり、且つ、時定数Ｔの同定値が所定値Ｔｉｂ未満であるか否かにより、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を診断する。より具体的には、ゲインｋの同定値が所定値ｋｉｂ未満であり且つ時定数Ｔの同定値が所定値Ｔｉｂ未満であるときには、空燃比ばらつき異常有りと診断し、そうでないときには空燃比ばらつき異常無しと診断する。これにより好適な空燃比ばらつき異常診断を実行することが可能となる。
【００６２】
［空燃比センサの異常診断］
また、本実施形態では、空燃比ばらつき異常無しと診断した場合、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値に基づいて、空燃比センサたる触媒前センサ１７の異常の有無をも診断する。これにより、空燃比ばらつき異常の影響が無いことを確認した上で触媒前センサ１７の異常診断を実行でき、触媒前センサ１７の異常診断の精度と信頼性を高めることができる。
【００６３】
具体的には、ゲインｋの同定値が所定のゲイン増大異常判定値ｋｓ１より大きい場合、触媒前センサ１７は出力増大異常であると診断し、ゲインｋの同定値がゲイン縮小異常判定値ｋｓ２（＜ｋｓ１）より小さい場合、触媒前センサ１７は出力減少異常であると診断する。ゲインｋの同定値がゲイン縮小異常判定値ｋｓ２以上で且つゲイン増大異常判定値ｋｓ１以下の場合、触媒前センサ１７は出力に関して正常であると診断する。
【００６４】
また、時定数Ｔの同定値が所定の時定数異常判定値Ｔｓより大きい場合、応答遅れが生じており、触媒前センサ１７は応答性異常であると診断する。他方、時定数Ｔの同定値が時定数異常判定値Ｔｓ以下の場合、触媒前センサ１７は応答性に関して正常と診断する。
【００６５】
このように単に触媒前センサ１７自体の異常を診断するのではなく、触媒前センサ１７の出力および応答性という二つの代表的な特性の異常を、同時且つ個別に診断する。よって、空燃比センサの異常診断として極めて緻密で且つ好適なものを実現することが可能となる。
【００６６】
加えて本実施形態では、実際のむだ時間Ｌが検出されるので、この検出値を利用してむだ時間異常の有無をも診断する。これについては後述する。
【００６７】
［異常診断処理］
図１５に、本実施形態の異常診断処理のルーチンを示す。このルーチンはＥＣＵ２０により所定のサンプリング間隔毎に繰り返し実行される。
【００６８】
まずステップＳ１０１では、現トリップ中での診断が未完了であるか否かが判断される。ここでトリップとは、１回のエンジンの始動から停止までの期間をいう。
【００６９】
既に診断が完了していると判断された場合、ステップＳ１０８に進み、診断未完了と判断された場合、ステップＳ１０２に進む。
【００７０】
ステップＳ１０２では、アクティブ空燃比制御を実行するための実行条件が成立しているか否かが判断される。この実行条件とは、例えば、エンジンの暖機が終了していること（例えば冷却水温が７５℃以上）、上流触媒１１、下流触媒１９、触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８の全てが活性済みであること、並びにエンジンが定常運転状態であること（例えば吸入空気量の所定時間内の変動幅が所定値以内）の全てを満たしていることである。
【００７１】
実行条件が成立していない場合、ステップＳ１０８に進み、実行条件が成立している場合、ステップＳ１０３に進んでアクティブ空燃比制御が実行される。
【００７２】
次いでステップＳ１０４では、同定禁止フラグがオフであり、且つ、アクティブ空燃比制御の最初の１周期（アクティブ１周期）が終了したか否かが判断される。
同定禁止フラグとは、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定を行うのに適さない所定条件が成立したときにオンされ、それ以外の場合にオフされるフラグをいう。かかる所定条件とは、アクティブ空燃比制御を禁止する必要はないが、同定に必ずしも適当ではない入出力空燃比等のデータしか得られないような条件をいい、例えば、アクセル開度の所定時間内の変動幅が所定値以上であるという条件を含む。このほか、吸入空気量の所定時間内の変動幅が、アクティブ空燃比制御実行条件のときより小さい所定値以上であるという条件、ＥＧＲ量が所定値以上であるという条件、パージ流量が所定値以上であるという条件の少なくとも一つを含んでもよい。
【００７３】
アクティブ空燃比制御の実行条件が成立してアクティブ空燃比制御が開始されたのに、これを中止して再び最初からアクティブ空燃比制御を実行するのは、せっかく得た診断機会を１回失う結果となる。そこで、同定禁止フラグがオンのときには、アクティブ空燃比制御は継続しつつ、入出力空燃比等のデータはサンプリングしないで（或いはサンプリング後破棄して）同定を一時停止する。そして、同定禁止フラグがオフになったらデータのサンプリングと同定を再開する。こうすることにより診断機会を好適に確保できる。
【００７４】
アクティブ空燃比制御の最初の１周期とは前述の捨て山のことである。但しこの捨て山を何周期にするかは任意に定め得る。
【００７５】
ステップＳ１０４の判断結果がノーの場合、ステップＳ１０８に進み、他方判断結果がイエスの場合、ステップＳ１０５に進む。
【００７６】
ステップＳ１０５では、前述の方法による入力空燃比のむだ時間補正が実行される。
【００７７】
次いでステップＳ１０６では、補正後の入力空燃比と、出力空燃比とに基づき、ゲインｋおよび時定数Ｔが同定される。
【００７８】
その後ステップＳ１０７では、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値の変動量が算出される。ゲインｋの同定値の変動量は、例えば、同定された今回のゲインｋ（ｔ）と、１サンプリング間隔前に同定された前回のゲインｋ（ｔ−１）との差の絶対値からなる。時定数Ｔの同定値の変動量についても同様である。但しこの変動量については他の計算方法も可能である。
【００７９】
次いで、ステップＳ１０８では、アクティブ空燃比制御の既に終了済みの周期（アクティブ周期）の数が６以上に達したか、または、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値の変動量がそれぞれ対応する所定値より小さいかか否かが判断される。
これは、同定終了のタイミングを決定するためのもので、すなわち、まずアクティブ周期数が６に達したならば無条件に同定終了となり、その時点での同定値が最終的な同定値となる。また、アクティブ周期数が６に達する前であっても、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値の変動量がそれぞれ対応する所定値より小さくなれば、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値がそれぞれ収束したとみなして、その時点で同定終了となり、この時点での同定値が最終的な同定値となる。なお、ゲインｋおよび時定数Ｔの一方が収束していれば他方も収束している可能性があることから、いずれか一方の同定値の収束の有無を判断してもよい。
【００８０】
触媒前センサ１７が新品に近いほど、各同定値は早く収束する傾向にある。一方、最大のアクティブ周期数（＝６）は、異常センサの場合であっても各同定値が収束するような遅いタイミングに設定する必要がある。そこで、正常センサの場合に最大のアクティブ周期数を待たないでも後述の正常・異常判定を実行可能とするため、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定値が収束したならば、最大アクティブ周期数への到達前であっても同定を終了することとしている。これにより全体としての診断時間を短縮することが可能となり、ひいては診断機会をより多く確保可能となる。
【００８１】
なお、同定終了となる最大アクティブ周期数は６に限らず任意の値に設定可能である。
【００８２】
ステップＳ１０８の判定結果がノーの場合、ルーチンが終了する。他方ステップＳ１０８の判定結果がイエスの場合、ゲインｋおよび時定数Ｔの同定が終了され、ステップＳ１０９に進む。この同定終了時点で、同時に、検出値としての実際のむだ時間Ｌの値が取得され、この値によりマップデータが更新される。なお図６に示したようにリッチへの反転時とリーンへの反転時とで別々にゲインｋおよび時定数Ｔの同定がなされる場合には、それぞれ、リッチへの反転時とリーンへの反転時との平均値を最終的な同定値とすることができる。
【００８３】
ステップＳ１０９においては、むだ時間の正常・異常判定が行われる。すなわち、検出された実際のむだ時間Ｌが所定のむだ時間増大異常判定値Ｌｓ１より大きい場合、むだ時間は増大異常であると判定され、検出されたむだ時間Ｌが所定のむだ時間縮小異常判定値Ｌｓ２（＜Ｌｓ１）より小さい場合、むだ時間は減少異常であると判定される。検出されたむだ時間Ｌがむだ時間縮小異常判定値Ｌｓ２以上で且つむだ時間増大異常判定値Ｌｓ１以下の場合、むだ時間は正常であると判定される。
【００８４】
このようなむだ時間異常の原因として、触媒前センサ１７の組み付け位置を誤る誤設置や、触媒前センサ１７の上流側での何等かの異常が考えられる。よって、むだ時間の正常・異常を診断することで、これらの異常をも診断することができる。
【００８５】
次いで、ステップＳ１１０において、むだ時間が正常判定されたか否かが判断される。正常判定されなかった場合、各同定値の信頼性が低いことが考えられるので、空燃比ばらつき異常および触媒前センサ異常のいずれも診断することなく、ルーチンが終了する。
【００８６】
他方、正常判定された場合、ステップＳ１１１において、空燃比ばらつき異常判定が行われる。すなわち、前述したように、ゲインｋの同定値が所定値ｋｉｂ未満であり且つ時定数Ｔの同定値が所定値Ｔｉｂ未満である場合、空燃比ばらつき異常有りと判定され、そうでないときには空燃比ばらつき異常無しと判定される。
【００８７】
次いで、ステップＳ１１２において、空燃比ばらつき異常無しと判定されたか否かが判断される。そのように判定されなかった場合、すなわち空燃比ばらつき異常有りと判定された場合、各同定値の信頼性が低いことが考えられるので、触媒前センサ１７の正常・異常を判定することなく、ルーチンが終了する。
【００８８】
他方、空燃比ばらつき異常無しと判定された場合、ステップＳ１１３以降において、触媒前センサ１７の異常診断が実行される。まず、ステップＳ１１３において、時定数の正常・異常判定が行われる。すなわち、時定数Ｔの同定値が時定数異常判定値Ｔｓと比較され、Ｔ＞Ｔｓ場合、時定数異常すなわち応答性異常と判定される。他方、Ｔ≦Ｔｓの場合、時定数正常すなわち応答性正常と判定される。
【００８９】
この後、ステップＳ１１４において、時定数正常と判定されたか否かが判断される。そのように判定されなかった場合、触媒前センサ１７は異常と診断され、ゲインｋの正常・異常を判定することなく、ルーチンが終了する。
【００９０】
他方、時定数正常と判定された場合、ステップＳ１１５において、ゲインの正常・異常判定が行われる。すなわち、ゲインｋの同定値がゲイン増大異常判定値ｋｓ１およびゲイン縮小異常判定値ｋｓ２と比較され、ｋ＞ｋｓ１またはｋ＜ｋｓ２の場合、ゲイン異常すなわち出力異常と判定される。他方、ｋｓ１≦ｋ≦ｋｓ２の場合、ゲイン正常すなわち出力正常と判定される。これによりルーチンが終了する。
【００９１】
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、上述の内燃機関は吸気ポート（吸気通路）噴射式であったが、直噴式エンジンや両噴射方式を兼ね備えたデュアル噴射式エンジンにも、本発明は適用可能である。前記実施形態では触媒前に広域空燃比センサを用い、触媒後にＯ２センサを用いたが、例えば触媒後に広域空燃比センサを用いたり、触媒前にＯ２センサを用いてもよい。これら広域空燃比センサ及びＯ２センサを含め、広く、排気ガスの空燃比を検出するためのセンサを本発明にいう空燃比センサというものとする。同定方法に関し、前記実施形態では逐次最小自乗法を用いたが、他の方法、例えばカルマンフィルタ法を用いてもよい。
【００９２】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１  内燃機関
３  燃焼室
６  排気管
１１  上流触媒
１２  インジェクタ
１４  排気マニフォールド
１７  触媒前センサ
１８  触媒後センサ
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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